天线罩相位误差研究

李高生，徐弘光，曹群生

（1.中电科航空电子有限公司，成都 610000；2.南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京 210016）

机翼天线罩内一般布置多个天线［1-3］，分别实现测向、定位与跟踪等功能［4-6］。采用干涉仪测向时［7-9］，2个或多个天线的测向因为距离的原因，接收相位会产生一定的差值。由于天线-天线罩系统有天线罩的存在，不同天线处会产生不同的插入相位移，引入额外的相位误差值，从而影响测向精度。

1 干涉仪测向

1.1 原理

干涉仪测向是通过测量不同波前天线接收信号的相位差，经过处理获取来波方向，比较2个天线之间的相位来获得方向，因此称为比相法［8］。最简单的单基线相位干涉仪由2个信道组成，如图1所示。

图1 干涉仪测向原理Fig.1 Principle of interferometer direction finding

其中，天线视轴与平面波的夹角为θ，两天线之间的距离为L，信号到达测向天线1和天线2，则两天线由于距离L引起的信号相位差φA为［10］：

测量得到相位差φA后，若信号波长λ和天线之间距离L已知，则由式（1）可得辐射源信号到达方向θ为：

鉴相器无模糊的相位检测范围为［-π，π］，所以式（2）成立的条件为：-π≤φA≤π，θ≤0.5π。

对于固定天线，L是常量。式（1），（2）全微分，分析各项误差的相互影响。

从式（4）看出，辐射源信号到达方向θ的误差来源于信号相位差△φA和频率不稳定误差△λ；在天线视轴方向（θ=0）的误差最小。

1.2 仿真软件FEKO验证

使用仿真软件FEKO验证干涉仪测向原理的正确性，即采用2个不同位置的理想接收天线（如图2所示）接收入射的平面波。FEKO中理想接收天线基于以下3个假设：不考虑天线阻抗匹配问题；理想接收天线是一个点源；不考虑理想接收天线之间的互耦效应。

图2 FEKO理想接收天线示意Fig.2 Scheme of ideal receiving antenna in FEKO

仿真实例中，仿真频率为1.654 GHz。入射平面波的θ在0°～60°间线性变化，采样点数为16，φ=0°，幅值为1，相位0。设置了3个理想接收天线，编号分别为1，2，3，空间坐标分别为（0，0，0），（0.01，0，0），（0.02，0，0），如图2所示。理想接收天线为source.ffe，source.ffe为9单元等间距泰勒分布直线阵生成的远场文件［11-12］，9单元等间距泰勒分布直线阵方向如图3所示。

如图4所示，式（1）的计算结果作为理论值，仿真值由FEKO计算得到，横坐标为平面波θ角，纵坐标为不同天线之间的相位差。图4中分别给出了φA12和φA13理论和仿真值图形，可以看出，两者完全吻合，验证了式（1）的正确性。

图3 理想接收天线方向Fig.3 Direction of ideal receiving antenna

图4 理论值和仿真值对比Fig.4 Comparison of simulated data and theoretical data

2 天线罩相位误差

2.1 定义

图5 天线罩及其天线位置分布Fig.5 Positions of radome and antenna

如图5所示，考虑一个机翼天线罩内有6个天线，分别记为R1，R2，R3，R4，R5与R6。假设天线单元Ri、特定频率f、极化p（垂直极化v或水平极化h）、俯仰角θ和方位角φ，此条件下的裸罩相位为PAi（f，p，θ，φ），加罩相位为PRi（f，p，θ，φ）；在天线罩系统仿真和测试中，加罩相位与裸罩相位的差值为插入相位移，记为DRi（f，p，θ，φ）。

假设有2个天线进行测向，则辐射源信号到达方向θ的计算公式（2）修改为：

由式（8）可以看出，天线罩的存在对内部天线测向产生了一定的影响，原因来自于不同位置的相位误差，所以在机翼天线罩的设计中，应尽量减少天线罩不同位置的相位误差值，下面将具体分析天线罩相位误差产生的原因。

2.2 影响因素分析

图6 天线罩相位误差分析Fig.6 Analysis of radome phase error

由等效传输线理论分析可知［13-14］，相同入射角条件下，不同罩壁形式和厚度也会影响插入相位移大小。罩壁形式对应天线罩的罩壁设计，厚度对应天线罩的制作工艺水平，包括内、外蒙皮和芯层预成形工艺、组合固化工艺、粘结工艺、修磨工艺和喷漆工艺等。

综上所述，天线罩相位误差影响因素主要有3点：天线罩两端曲率半径的差异和外形曲面差异；天线罩罩壁结构的选择；天线罩的制作工艺。

2.3 校正方法

2.3.1 方法介绍

如图5所示，假设机翼天线罩内有n个天线，则天线罩相位误差满足：

式（10）中，C2n表示排列组合。下标限制条件i＜j是避免重复计入符号相反的相位误差导致平均值为0，因为。天线罩相位误差校正公式为：

2.3.2 实测结果与分析

根据天线罩性能指标要求，确定了满足宽频透波性能的A夹层结构天线罩，罩壁结构见表1。1，3层为玻璃布蒙皮，中间层为泡沫芯层。

表1 实测A夹层天线罩罩壁结构Table 1 Parameters of radome structure

由等效传输线理论分析可知，介质材料组成的天线罩主要矛盾来自于垂直极化，只要垂直极化能够满足，平行极化一般均能满足，因此，着重测量了天线罩垂直极化情况。如图5所示，待测天线为6个天线组成的天线阵列，测试频段为2～18 GHz。为不失一般性，测试选取了位于边缘的R6、次边缘的R2、中间位置的R3与R4裸天线和加天线罩测试。整罩测试中［15］，EUT即为天线-天线罩系统。除平板测试的注意事项外［14］，还需要考虑以下因素：

1）天线罩测试中，天线罩支架使用吸波材料覆盖，以减少由支架引起的电磁干扰。如图7所示，支架为玻璃钢材料，机械强度高，反射小，质量轻。

图7 吸波材料覆盖的天线罩支架Fig.7 Radome holder covered by wave-absorbing material

2）测试中，天线馈线应尽可能缩短，避免高频信号衰减及干扰问题（如图8所示）。

图8 测试中的天线-天线罩系统Fig.8 Antenna-radome system under test

3）应尽量避免装/取天线罩操作对天线位置和馈电系统的影响，确保装/取操作前后天线位置和馈电系统不变。为评估操作的影响，可选择特定测试条件（特定天线位置、频率、极化）重复2～3次装/取天线罩操作，分别得到2～3次透波率和插入相位移数据，如果各次所得数据一致（相差足够小），则可判定该项操作引入的额外测量误差可忽略。测试中选取了R2位置重复测量2～3次，通过数据比较，结果基本一致，排除了人工操作引入额外误差的可能性。

为了查看相位误差处理前后的差异，选择了俯仰角θ=0°时的3个频点数据进行观察，分别为2，8，12 GHz。1个频点有2个图形，分别为校正前和校正后的相位误差，具体参考式（6）和（11）。数据处理时，插入相位移须换算到主值范围［-π，π］内。

由图9可以得出以下几点。

图9 校正前后相位误差Fig.9 Radome phase error before and after correction

1）校正后的相位误差平均值为0°，大部分数值被约束在一个范围内，如频率2，8，12 GHz分别被约束在［-15°，15°］，［-20°，20°］，［-20°，20°］。由上述约束范围可计算天线罩自身产生的测向误差，进而和指标对比，进行天线罩罩壁的再设计或提高制作工艺。

2）假设L=0.1 m，则在8，12 GHz由天线罩相位误差引起的到达角θ误差分别为1.1937°和0.7958°，可见天线罩引起的测向误差已不能忽略。

3）频率为8，12 GHz的相位误差图中，R24，R34和R46在负的大角度时相位差值较大（未给出的其他频点表现出了同样的规律，高频比较明显），3条曲线均与4号天线有关。试验中，对其进行了重复测量，结果没有变化，排除了由测试操作问题引入错误的可能性。负的大角度测试状态，天线罩曲率半径较小端与接收天线的距离较天线罩曲率半径较大端远，入射角相对正的大角度测试状态较大，相位变化比较剧烈。

3 结语

天线罩相位误差是由天线罩指标引出的概念，结合测向原理，文中给出了其定义。同时通过理论分析与实物测量的结合给出了天线罩相位误差影响因素：两端曲率半径差异、罩壁结构选择和制作工艺。天线罩作为飞行器或舰载设备的部件，曲率半径一般是固定的，所以约束天线罩相位误差的2个重要方面为优化罩壁结构和提高工艺水平。干涉仪测试中，天线罩相位误差需要约束到一个范围内，文中给出了校正方法，并通过实测进行了验证。天线罩的存在会对测向引入一定的误差，内部存在一个天线时可以用瞄准误差或瞄准误差率说明，存在多个天线时，会引入天线罩相位误差，从而影响测向，此问题具有一定的研究意义。

参考文献：

［1］ KOZAKOFF D J.Analysis of Radome-Enclosed Antennas［M］.Boston：Artech House，1997：156－178.

［2］ NAIR R U，SHASHIDHARA S，JHA.Novel Inhomogeneous Planar layer Radome Design for Airborne Applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11（6）：854－856.

［3］ COSTA F，MONORCHIO A.A Frequency Selective Radome with Wideband Absorbing Properties［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，50（6）：2740－2747.

［4］ 王韬.基于阵列天线的空中目标搜索与跟踪［D］.重庆：重庆大学，2006.WANG Tao.Searching and Tracking Aerospace Targets Based on Array Antenna［D］.Chong qing：Chongqing University，2006.

［5］ 郭景丽.全向宽带天线及天线罩电磁特性研究［D］.西安：西安电子科技大学，2005.GUO Jing-li.Broadband Omnidirectional Antennas and Electromagnetic Analysis of Radomes［D］.Xi'an：Xidian University，2005.

［6］ 张强.机载天线罩电磁特性分析技术研究［D］.南京：南京邮电大学，2005.ZHANG Qiang.Airborne Radome Electromagnetic Analysis and Research［D］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2005.

［7］ LI Wen-chao，WANG Xue-zhi，WANG Xin-min.Distance Estimation Using Wrapped Phase Measurements in Noise［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2013，61（7）：1676－1688.

［8］ LI J，STOICA P.MIMO Radar Signal Processing［M］.Weinheim：Wiley Press，2009：15－39.

［9］ DANIELS D.Radar Systems［M］.Weinheim：Wiley Press，2009：87－93.

［10］ DUBROVKA R，PALIKARAS G，BELOV P.Near-Field Antennas Radome Based on Extremely Anisotropic Metamaterial［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11（2）：438－441.

［11］ LI Yan，WEI Hong，GUANG Hua.Simulation and Experiment on SIW Slot Array Antennas［J］.IEEE Microwave and wireless components letter，2004，14（9）：446－448.

［12］ WEN Le-hu，ZUO Shao-li.A Novel PIFA Antenna for Broadband Circular Polarization［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2010，53（11）：204－208.

［13］ 李高生，贾蕾，曹群生.磁性平板功率系数和插入相位移研究［J］.雷达学报，2012，1（3）：277－282.LI Gao-sheng，JIA Lei，CAO Qun-sheng.Study of Power Coefficient and Insertion Phase Shift of Organic Magnetic Slab［J］.Journal of Radars，2012，1（3）：277－282.

［14］ 杜耀惟.天线罩电性能设计方法［M］.北京：国防工业出版社，1993：365－395.DU Yao-wei.The Electrical Design Method of Radomes［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1993：365－395.

［15］ 贾蕾，李高生，曹群生.某型机载宽频带天线罩电气性能的测试研究［J］.微波学报，2012，28（4）：48－51.JIA Lei，LI Gao-sheng，CAO Qun-sheng.Test Research on an Airborne Broadband Radome Electric Property［J］.Journal of Microwaves，2012，28（4）：48－51.